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1、钢筋强度与成分的关系钢筋强度与成分的关系1 1 调整成分调整成分根据钢筋的规格，调整化学成分控制范围，不同规格制定不同的化学成分范围。共分成四组：1216、1820、2225、2832mm。2 2 专人负责专人负责在生产中，各有关单位应设专人负责，便于工作联系，及时传递生产、技术、质量信息，并有助于发现解决问题，提高钢筋实物质量。3.13.1 根据计算得出 14mm 钢筋 C、Mn、V 与力学性能的关系式(1)、(2)符合生产规律，对炼钢生产起到了指导作用：s=116+690C+120Mn+1002V (1)b=171+616C+188Mn+1270V (2)3.23.2 提高钢筋的 C、Mn
2、 含量，降低 V 含量可满足力学性能指标的要求。最佳成分为：C：0.18%0.25%、Si：0.40%0.65%、Mn：1.30%1.60%、V：0.030.12%。同时增加价格低的合金用量，减少价格高的合金用量，以降低生产成本。3.33.3 根据统计结果，HRB400 新级钢筋的生产技术指标确定为：成材率 99%，合格率 99.88%，定尺率 98%。3.43.4 在保证力学性能指标的前提下，减少价格高的合金用量，1216mm 减少钒铁用量 0.3kg/t，1820mm减少钒铁用量 0.4kg/t，2225mm 减少钒铁用量 0.5kg/t，2832mm 减少钒铁用量 0.4kg/t。小规格
3、钢筋成本降低3050 元/t，大规格钢筋成本降低 50 元/t。 钢铁研究钢铁研究RESEARCH ON IRON 冷弯性能 d=5a,90合格;并且可焊性良好(Geq0.58)。选定成分的钢种,能在普通轧制生产线上用一般的轧制工艺(无须控 轧和控冷)生产出可焊性良好的高强度热轧双相钢钢筋及其它高强度构 件,生产工艺简单,应用前景广阔。2 2 成分设计成分设计2.12.1 合金元素的选择合金元素的选择根据高强度热轧双相钢钢筋的组织、性能和生产工艺要求,合金元 素的选用原则是:(1)加入一定量能促进先共析铁素体析出的合金元素;(2)推迟珠光体形成,以保证奥氏体的淬透性;(3)应能使钢筋足够强化,
4、以满足强度要求;(4)成本应尽可能低。根据以上原则,初步选定 Mn、Si、Cr、V 作为加入的合金元素,以加 入 Mn、Si 为主,同时加入少量的 Cr、V。Mn 推迟珠光体转变,可提高淬透性,起到固溶强化和细化铁素体晶粒 的作用。Mn 降低 A3、A1临界点,在推迟珠光体转变的同时,也推迟铁素体 转变。Si 能促进先共析铁素体析出,对珠光体形成的影响不大,价廉，且 Si 提高 A3、A1临界点并有强烈的固溶强化作用。Cr 能强烈推迟珠光体和铁素体转变,可增加钢的淬透性。Cr 虽是弱 固溶强化元素,但能增大奥氏体的过冷能力,从而细化组织、得到强化效 果。V 是我国的富有资源,溶于奥氏体中的 V
5、 能显著增加钢的淬透性,在 铁素体中析出 V 的碳化物或碳氮化物,具有显著的弥散强化作用。 2.22.2 强度强度成分设计成分设计强度与成分的定量关系,可参考 Baird 和 Prosion 关于铁素体+少量 珠光体型组织的低合金高强度钢的经验公式(1)3:s=A+32w(Mn)+83w(Si)+22d1/2+Y (1)式中 A纯铁的屈服强度，约 190 MPad铁素体晶粒平均直径，在热轧条件下约为 0.018 mmY弥散强化对屈服强度的贡献令 Y=0,s=540 MPa,代入(1)式作计算,得到下列一组满足(1)式 的 Si、Mn 含量:Si 含量/% 1.3 1.5 1.7Mn 含量/%
6、2.78 2.26 1.75这里没有考虑弥散强化和马氏体强化,所以 Si、Mn 含量的计算值比 实际要求值稍高。为了在强度成分设计时引入马氏体强化因素,可应用根据双相钢 强度的混和物定律和 Leslie 及 Sober 的经验公式导出的计算式(2)4:s=as(1-fm)+207fm+862w(C) (2)式中 w(C)钢中的含碳量fm马氏体体积分数s铁素体屈服强度s可根据固溶强化经验公式(3)计算5:s=207+441w(C)+ 64w(Mn)+98w(Si)(3)式中 w(C)铁素体含碳量,鉴于两相分离,w(C)设定为 0.02设定 s=540 MPa,将(3)式代入(2)式,算出若干组满
7、足(2)式的成分, 如表 1 所示。表 1 满足(2)式的化学成分(w) % 组号123456789101112 C 0.11 0.11 0.11 0.13 0.13 0.13 0.15 0.15 0.15 0.17 0.17 0.17 Si 1.30 1.50 1.70 1.30 1.50 1.70 1.30 1.50 1.70 1.30 1.50 1.70fm=0.1 1.02 0.72 0.41 0.72 0.42 0.11 0.42 0.12 0.00 0.12 0.00 0.00 Mn fm=0.2 1.54 1.23 0.93 1.20 0.90 0.58 0.87 0.56 0.
8、25 0.53 0.22 0.00fm=0.25 1.85 1.54 1.24 1.49 1.18 0.88 1.13 0.82 0.52 0.77 0.47 0.16显然,用(2)式估算的 Si、Mn 含量比用(1)式估算的低得多。根据 (2)式,钢中含 10%25%马氏体时,w(C)0.11 %,w(Si)1.30 %,w(Mn) 1.85 %,则能保证 s540 MPa。当然,这里假定钢中含有一定量马氏 体,只有在获得双相组织的前提下,才有参考价值。而能否获得双相组织 及其中的马氏体量,除了与工艺条件有关外,还与化学成分有关。下文将 根据工艺条件和获得双相组织的要求,对合金成分进行设计。
9、双相钢钢筋的抗拉强度可按屈强比来估算,已做的工作2证明,该 类双相钢的屈强比在 0.540.64 之间,若屈服强度为 540 MPa,则抗拉强 度为 844998 MPa。因此,若能保证屈服强度大于 540 MPa,就能保证抗 拉强度大于 835 MPa。 2.32.3 工艺工艺组织组织成分设计成分设计Hashiguchi4等提出:获得双相组织的临界冷却速度 CR 与锰当量 Mneq的关系见(4)式: LogCR=-1.11Mneq+2.75 (4)其中 Mneq=Mn+1.29Cr+3.28Mo钢筋要在热轧空冷的条件下获得双相组织,则钢筋的中心冷却速度 就必须大于(4)式中的临界冷却速度 C
10、R。 1820 mm 规格钢筋中心的冷 却速度约为 2 /s,以 CR=2 /s 代入(4)式,得 w(Mn)=2.2 %。由此可 见,按(2)式进行强度成分设计时,在 w(Mn)1.85 %的情况下,虽能满足 强度要求,但不一定能保证获得双相组织。只有 w(Mn)2.2 %时才能获得双相组织。为了不使钢中的锰含量过高而影响其它性能,决定在钢中 加入少量的 Cr,以提高获得双相组织的能力。假设钢中加入 0.3 %的 Cr, 再用(4)式计算,则 w(Mn)=1.81 %。用含量过高的 Si、Mn 来提高强度是不可取的。Si、Mn 含量过高会 导致钢的塑性、韧性、可焊性和冷弯性能显著下降。文献6
11、表明:在 普通低合金钢中,含 Mn 量最多不应超过 2.2 %;Si 含量不超过 0.8 %,特 殊者一般也不超过 1.5 %。Cr 是弱固溶强化元素,钢中加入少量的 Cr 是 必要的,它不会导致塑韧性显著下降。需要指出的是上述计算的结果均为估算的临界值,为增加淬透性确 保获得双相组织并提高钢的强度,还可在钢中加入 0.1 %左右的 V。Rashid7也认为,要获得具有良好性能的双相钢,V 是较好的合金 元素。 2.42.4 可焊性碳当量可焊性碳当量成分设计成分设计钢的焊接性能与钢的成分、焊接方法等多种因素有关,一般用碳当 量来评价成分对焊接性能的影响。按日本的 JISG3106 的碳当量公式
12、(5), 计算我国目前热轧钢筋的碳当量,结果见表 2。碳当量 Ceq=C+Mn/6+Si/24+V/14+Ni/40+Mo/4(5)表 2 我国级热轧钢筋的碳当量计算值级别20MnSi 20MnNb 20MnSiV 20MnTi 25MnSi 40SiMnV 45SiMnV 45Si2MnTi Ceq下限0.390.340.380.390.4250.540.620.59 Ceq上限0.550.510.560.530.610.710.800.76试制的双相钢钢筋 Ceq的设计目标是:Ceq0.58,且相当于级 钢筋的 Ceq水平。因此,在成分设计时,应严格控制 C、Si、Mn 等元素的 含量,以
13、保证钢筋具有良好的可焊性。 2.52.5 试验钢成分范围的确定试验钢成分范围的确定参考上述强度成分设计及工艺组织成分设计的估算结果,同 时考虑可焊性碳当量的要求,初步确定试验钢的成分范围是: 0.11%0.22%C、1.50%2.10%Mn、1.00%2.00%Si、0.08%0.14%V、 0.10%0.60%Cr。在此成分范围内,经过成分选定试验,最终确定钢种的 成分范围。 3 3 成分选定试验成分选定试验3.13.1 冶冶 炼炼用 30 kg 的中频感应电炉冶炼,常压浇注。在成分设计时初步确定 的成分范围 (0.11%0.22%C、1.50%2.10%Mn、1.00%2.00%Si、0.
14、08%0.14%V、0.10%0.60%Cr)内,调整化学元素的含量,共冶炼了 12 炉试验钢。 3.23.2 锻造和轧制锻造和轧制12 炉试验钢的钢锭经切头、车去表面缺陷后,在 400 kg 锻锤上锻成 60 mm 方坯,在每根坯上取一段长约 80 mm 的坯料,再用 400 kg 段锤锻 成 2225 mm 的棒材。锻造加热温度约 1 200 ，终锻温度约 900950 ,锻后在沙地上、试棒间隔约 40 mm 空冷。根据试验钢锻态(模拟轧态)的性能检测结果,选择了 7 炉试验钢的 60 mm 方坯,在五机架、横列式 250 轧机上,轧成 18 mm 带肋钢筋,加热 温度 1 2001 25
15、0 ,终轧温度 9501 000 ,轧后空冷。 3.33.3 试验钢的化学成分试验钢的化学成分试验钢锻态的化学成分见表 3。表 3 试验钢锻态的化学成分(w) % 炉号CSiMnPSCrV 10.100.15 1.001.50 1.802.100.039 0.0230.300.600.1020.100.15 1.602.00 1.802.100.036 0.0100.300.13 30.100.15 1.001.50 1.501.800.036 0.0180.300.13 40.100.15 1.502.00 2.002.100.032 0.0080.300.13 50.100.15 1.001.50 1.601.800.022 0.0050.300.600.1160.160.19 1.001.50 1.501.800.022 0.0070.300.14 70.160.19 1.602.00 1.802.100.014 0.0040.300.600.0880.160.19 1.802.00 1.501.800.030 0.0130.300.13 90.200.22 1.301.70 1.501.800.032 0.0090.300.14 100.200.22 1.301.70 1
